TEMA 4 TRANSISTORES DE EFECTO CAMPO

Transcripción

1 TEMA 4 TRANSISTORES DE EFECTO CAMPO Profesores: Germán Villalba Madrid Miguel A. Zamora Izquierdo 1

2 CONTENIDO Introducción El transistor JFET Análisis de la recta de carga. Circuitos de polarización. El transistor MOSFET. El FET en conmutación. 2

3 INTRODUCCION Los transistores de efecto campo (FET) son dispositivos que, al igual que los BJT, se utilizan como amplificadores e interruptores lógicos. Existen dos grandes grupos de FET: los de unión (JFET) y los metalóxido semiconductor (MOSFET). Dentro de los MOSFET está el de acumulación, el cual ha propiciado los rápidos avances de los dispositivos digitales. Diferencias entre BJT y FET: El BJT es un dispositivo no lineal controlado por corriente. El BJT tiene tres modos de funcionamiento: corte, activa y saturación. Los FET son la siguiente generación de transistores después de los BJT. El flujo de corriente del FET depende solo de los portadores mayoritarios (Unipolares). La corriente de salida es controlada por un campo eléctrico (fuente de tensión). El apagado y encendido por tensión es más fácil que por corriente. 3

4 MOSFET Y BJT. VENTAJAS E INCONVENIENTES Ventajas Los FET son dispositivos sensibles al voltaje, con una gran impedancia de entrada (del orden de 10 Mohm a 1 Gohm). Al ser mucho más alta que la correspondiente a los BJT, se prefieren como etapa de entrada en amplificadores multietapa. Los JFET generan menos ruido que los BJT. Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT; pudiéndose incluir un mayor número de FET en un solo chip (requieren menor área), de aquí que memorias y microprocesadores se implementen únicamente con MOSFET. Los FET funcionan como resistencias variables controladas por voltaje para valores pequeños de voltaje de drenaje a fuente. La elevada impedancia de entrada de los FET permite que almacenen la carga durante tiempo suficientemente largo como para usarlos como elementos de almacenamiento. Los FET de potencia controlan potencia elevadas y conmutan grandes corrientes. Los FET no son tan sensibles a la radiación como los BJT. Inconvenientes Los FET exhiben una pobre respuesta en frecuencia, debido a la alta capacidad de entrada. Algunos FET tienen una pobre linealidad. Los FET se dañan con el manejo debido a la electricidad estática. 4

5 CLASIFICACION DE LOS FET TRANSISTOR DE EFECTO CAMPO DE UNIÓN (JFET) CANAL N CANAL P TRANSISTORES DE METAL OXIDO SEMICONDUCTOR DE EFECTO CAMPO (MOSFET) ACUMULACION O ENRIQUECIMIENTO DEPLEXION O EMPOBRECIMIENTO CANAL N (NMOS) CANAL P (PMOS) CANAL N CANAL P 5

6 EL TRANSISTOR JFET La estructura física de un JFET (transistor de efecto campo de unión) consiste en un canal de semiconductor tipo n o p dependiendo del tipo de JFET, con contactos óhmicos (no rectificadores) en cada extremo, llamados FUENTE y DRENADOR. A los lados del canal existen dos regiones de material semiconductor de diferente tipo al canal, conectados entre sí, formando el terminal de PUERTA. En el caso del JFET de canal N, la unión puerta canal, se encuentra polarizada en inversa, por lo que prácticamente no entra ninguna corriente a través del terminal de la puerta. El JFET de canal p, tiene una estructura inversa a la de canal n; siendo por tanto necesaria su polarización de puerta también inversa respecto al de canal n. Los JFET se utilizan preferiblemente a los MOSFET en circuitos discretos. En el símbolo del dispositivo, la flecha indica el sentido de polarización directa de la unión pn. 6

7 JFET DE CANAL N En la unión pn, al polarizar en inversa la puerta y el canal, una capa del canal adyacente a la puerta se convierte en no conductora. A esta capa se le llama zona de carga espacial o deplexión. Cuanto mayor es la polarización inversa, más gruesa se hace la zona de deplexión; cuando la zona no conductora ocupa toda la anchura del canal, se llega al corte del canal. A la tensión necesaria para que la zona de deplexión ocupe todo el canal se le llama tensión puerta-fuente de corte (V off ó V to ). Esta tensión es negativa en los JFET de canal n. Estados del JFET canal N En funcionamiento normal del JFET canal n, D es positivo respecto a S. La corriente va de D a S a través del canal. Como la resistencia del canal depende de la tensión, la corriente de drenador se controla por dicha tensión. 7

8 CURVAS CARACTERISTICAS DEL JFET CANAL N Para obtener las curvas características del JFET de canal n, se hace uso del circuito mostrado. Haciendo Vgs = 0 y variando Vds: A medida que aumenta Vds, Id aumentará. El canal es una barra de material conductor con contactos óhmicos en los extremos, exactamente igual al tipo de construcción utilizada en las resistencias. Así, para valores de Vds pequeños, Id es proporcional a Vds (zona óhmica). A valores mayores de Vds, la corriente aumenta cada vez mas lentamente, debido a que el extremo del canal próximo D se halla polarizado en inversa. Al aumentar Vds, la zona de deplexión se hace más ancha, y la resistencia del canal se incrementa, haciendo que Id sea casi constante para siguientes incrementos de Vds (zona saturación). El paso entre las dos zonas se produce en el valor de tensión de estrangulamiento Vp, para Vgs=0. 8

9 CURVAS CARACTERISTICAS DEL JFET DE CANAL N Esta gráfica nos define la relación Id=f(Vgs) solo para la zona de saturación de la gráfica de abajo (a la derecha de la curva azul discontinua). Vgs(off) Idss Ahora lo que hacemos variar es Vgs. Si Vgs<0, la unión puerta canal está polarizada en inversa, incluso con Vds = 0. Así, la resistencia del canal es elevada. Esta es evidente para valores de Vgs próximos a V off. Si V V off (tensión de corte), la resistencia se convierte en un circuito abierto y el dispositivo está en CORTE. La zona donde Id depende de Vds se llama REGIÓN LINEAL U ÓHMICA, y el dispositivo funciona como una resistencia. El valor de esta resistencia (pendiente de recta) varía con Vgs. La zona donde Id se hace constante (fte de Intensidad cte) es la REGIÓN DE SATURACIÓN. Id es máxima para Vgs = 0 (Idss), y es menor cuanto más negativa es Vgs. Para Vgs=0 la región comienza a partir de Vp. Siempre se cumple que V gsoff = -Vp. Idss y Vp (ó Vgsoff) son datos dados por el fabricante. Zona Saturación : I D = I DSS V 1 V Zona Óhmica : 0 V 2V DS V I D = I DSS V V off Corte : V V off off V 2 off I DS DS ( V ( V V 2V D = 0 DS off V V 1 off off ) ), V, V V V off off Vp 9

10 RUPTURA DEL JFET Tensiones de Ruptura del JFET Cuando la polarización inversa entre puerta y canal se hace demasiado grande, la unión sufre una ruptura inversa, y la corriente de drenador aumenta rápidamente. La polarización inversa de mayor magnitud tiene lugar en el extremo correspondiente al drenador. La ruptura se producirá cuando Vdg exceda de la tensión de ruptura. Como Vdg= Vds Vgs, la ruptura tendrá lugar a valores más pequeños de Vds a medida que Vgs se aproxime a Vp. 10

11 RECTA DE CARGA La recta de carga se calcula de forma similar a los casos estudiados para el BJT. Se determina la malla drenador fuente, aplicando la 2LK. Se hallan los puntos de corte con los ejes coordenados suponiendo Id=0 ma, primero, y posteriormente Vds = 0v. Se representan dichos puntos y se unen por una recta. El punto de trabajo del transistor coincidirá con la intersección de la recta de carga con la curva de Vgs correspondiente. 11

12 AUTOPOLARIZACION DEL JFET Se basa en que la puerta está conectada a masa a través de una resistencia, siendo por tanto Vg=0v. En la fuente existe un potencial Vs debido a la circulación de corriente a través de Rs. Por tanto, Vgs = Vg-Vs = -Vs = -Id Rs Si Id aumenta, Vgs se hace más negativa, aumentando la resistencia y reduciendo la Id. Así pues, se puede decir que Rs realimenta negativamente la polarización del transistor. Vdd 2k2 J2N3819 Vsal 1Mohm 1Kohm

13 CIRCUITO DE POLARIZACON CON DIVISOR DE TENSION VCC R1 R3 J2 J2N3819 R2 R4 0 0 Inicialmente, se analiza de forma análoga al del BJT, es decir, el divisor de tensión se sustituye por la tensión Thevenin y en serie su resistencia Rth. Así, la Vs = Id Rs = Vth Vgs Id = (Vth Vgs) / Rs Si Vgs se pudiera despreciar frente a Vth, la Id tomaría un valor constante (Id=Vth / Rs), aunque se modifique la característica de transferencia del JFET. Sin embargo, tiene un problema de diseño, y es que para una misma Id, dos transistores pueden tener diferente Vgs (ver característica de transferencia). Este circuito es más estable que el de autopolarización, pero no llega a ser tan estable como en los BJT. 13

14 EL TRANSISTOR MOSFET La estructura de un MOSFET (Metal Oxido Semiconductor FET), consta de cuatro terminales: Drenador (D), Fuente (S), Puerta (G) y Sustrato (B). En los NMOS (MOSFET de canal N), el sustrato es un semiconductor tipo p. Generalmente, el sustrato se conecta a la fuente. La puerta se halla aislada del sustrato por una fina capa de dióxido de silicio y por el terminal de la puerta fluye una corriente despreciable. Cuando se aplica en G una tensión positiva respecto a S, los electrones se ven atraídos a la región situada bajo G, induciéndose un canal de material de tipo n entre D y S. Si se aplica entonces una tensión entre D y S, fluirá una corriente desde S a D a través del canal. La corriente de drenador está controlada por la tensión aplicada en G. 14

15 MOSFET EN CORTE Y ZONA OHMICA Si a D se aplica una tensión positiva respecto a S, con Vgs=0, las uniones pn están polarizadas a la inversa, por lo que no circula corriente, y se encuentra en corte. A medida que Vgs aumenta, el dispositivo permanece en corte hasta que Vgs alcanza un valor umbral Vt. Canal Incrementa Vgs Si Vgs es mayor que la tensión umbral, el campo eléctrico que resulta de la tensión aplicada a la puerta ha repelido a los huecos de la región situada bajo la puerta, y ha atraído electrones que pueden fluir con facilidad. Esta repulsión y atracción simultáneas crean un canal de tipo n entre drenador y surtidor. Para valores pequeños de Vds, la corriente Id es proporcional a Vds. Además, para cada valor (pequeño) de Vds, la corriente de drenador es también proporcional al exceso de tensión de la puerta (Vgs-Vt). 15

16 MOSFET EN SATURACION A medida que aumenta Vds, el canal se estrecha en el extremo del drenador debido a que los electrones son atraídos por el terminal positivo de la fuente de tensión del drenador, e Id se incrementa con más lentitud. Cuando Vds > Vgs Vt, Id es constante. En la curva característica de salida se indica el límite de transición de la zona óhmica a la de saturación. Observar que esta saturación no corresponde con la estudiada en los BJT. La saturación equivale en este caso a la zona activa de los BJT. 16

17 CARACTERISTICA DE SALIDA DEL MOSFET En la curva característica de salida se muestran las tres zonas de trabajo del MOSFET. Las ecuaciones correspondientes son: Zona Saturación K I D = 2 Zona Ohmica I D = K ( V V ) Siendo K la constante del dispositivo medida en ma/v 2 T 2 2 V DS ( V VT ) VDS 2 17

18 PROTECCION DE PUERTA DEL MOSFET Los MOSFET presentan unas impedancias de entrada entre puerta y canal superior a 1 Gohm. Al manejar estos dispositivos, es fácil que se generen tensiones electroestáticas mayores que la tensión de ruptura dieléctrica del aislamiento de puerta. La ruptura de la capa aislante da como resultado un cortocircuito entre la puerta y canal. Para reducir este problema, los terminales de puerta pueden protegerse con dos diodos zener. Si se expone el dispositivo a una carga electroestática, se produce una avalancha del diodo zener, lo que proporciona una ruta de descarga no destructiva. Los diodos zener se fabrican en el mismo chip que el FET. Protección contra sobretensiones en la entrada Los diodos de protección no son necesarios para los dispositivos internos de los circuitos integrados que no tengan conexiones directas al exterior. 18

19 MOSFET DE DEPLEXION Tiene las curvas características casi idénticas a las de los JFET. Existe un delgado canal de material semiconductor tipo n que comunica la fuente con el drenador. Encima de éste canal, se encuentra el material aislante y la capa metálica (aluminio o silicio policristalino), que forma la puerta. La diferencia de funcionamiento con el JFET de canal n reside en que el MOSFET de deplexión puede funcionar con valores positivos de Vgs, mientras que esto no se puede hacer en el JFET (polarización directa de la puerta). Las curvas de características de salida son casi idénticas, y las ecuaciones del JFET de canal n se pueden aplicar al MOSFET de deplexión de canal n. 19

20 EL JFET EN CONMUTACION Al igual que el BJT, los FET pueden trabajar como un interruptor, aunque en este caso en vez de trabajar entre corte y saturación, se trabaja entre corte y zona óhmica. En el caso del JFET, la tensión Vgs se restringe a dos valores: 0 v o una tensión negativa mayor o igual a Vgs(off), sin exceder la tensión de ruptura. En el caso de trabajar como interruptor paralelo, el JFET precisa una Ven menor de 100 mv. Además, Rd debe ser mucho mayor que Rds. Cuando Vgs es cero, actúa en la zona óhmica como interruptor cerrado. En este caso, Vsal es mucho menor que Ven debido al divisor de tensión. Cuando es más negativa que Vgs(off), el JFET está en corte, por lo que Vsal es igual a Ven. Rd Rd Ven Vsal Ven 1 Vsal Vgs J2N Rds 0 20

21 EL JFET EN CONMUTACION Cuando el JFET trabaja como interruptor serie, si la Vgs es cero, el interruptor estará cerrado y el JFET equivale a una resistencia de valor Rds. En este caso la salida es prácticamente igual a la entrada. Si la Vgs es igual o más negativa que Vgs(off), el JFET está abierto y Vsal es 0V. El JFET se utiliza más como interruptor serie porque su razón conexión desconexión es mucho más alta. La razón conexión desconexión es la relación entre la señal de salida a nivel alto, y la señal de salida a nivel bajo. Cuanto mayor sea, más fácil será discriminar entre ambos estados. Ven J2N3819 Vsal Ven 1 2 Rds Vsal Rd Rd Vgs

22 EL NMOS EN CONMUTACION El NMOS por su tensión umbral, es ideal para emplearse en conmutación, de ahí que haya revolucionado la industria de las computadoras. Cuando la tensión de puerta es mayor que la tensión umbral, el dispositivo conduce. En la figura se muestra el inversor con carga pasiva (resistencia normal), funciona con una Ven menor que la Vt o mayor que Vt. (Ej: 0 v y +5 v) Si Ven es menor que Vt, estará en corte, y la Vsal = Vdd. Si Ven es mayor que Vt, estará en conducción y Vsal cae a un valor pequeño. Debe ser Rds<<Rd en la zona óhmica (funcionamiento correcto). Ven M1 IRF150 Vdd 0 Rd Vsal Inversor: la salida tiene nivel opuesto a la entrada. Los circuitos de conmutación son menos exigentes que los de amplificación. Sólo se requiere que se pueda reconocer fácilmente dos estados diferentes. Se puede simplificar a un interruptor, como en el caso de los JFET. 22

23 EL NMOS EN CONMUTACION El inconveniente de utilizar una carga pasiva es que el tamaño de integración es mucho mayor que el propio MOSFET. En el primer esquema se muestra un inversor con carga activa. El MOSFET inferior actúa como conmutador, mientras que el superior sustituye a la carga pasiva el ejemplo anterior, trabajando como una resistencia de elevado valor, ya que Vgs=Vds, y los puntos que cumplen dicha igualdad sobre las curvas características del MOSFET (Vds vs Id; Vgs) presentan mayor resistencia que la correspondiente a la zona óhmica (MOSFET inferior). Ven IRF150 IRF150 Vdd 0 Vsal El inversor CMOS (MOS complementarios), se construyen con un transistor canal p y otro n. Es el más importante de todos por su consumo extremadamente bajo. Cuando uno conduce, el otro está en corte. Así, se reduce la intensidad que circula por el transistor en conducción. Ven Vdd 0 Vsal 23